El campo de la biología sintética no solo observa y describe los procesos de la vida, sino que también los imita. Una característica clave de la vida es la capacidad de replicación, lo que significa el mantenimiento de un sistema químico. Los científicos del Instituto de Bioquímica Max Planck en Martinsried generaron un sistema que es capaz de regenerar partes de sus propios bloques de ADN y proteínas.

En el campo de la biología sintética, los investigadores investigan los llamados procesos "de abajo hacia arriba", lo que significa la generación de sistemas que imitan la vida a partir de bloques de construcción inanimados. Una de las características más fundamentales de todos los organismos vivos es la capacidad de conservarse y reproducirse como entidades distintas. Sin embargo, el enfoque artificial "de abajo hacia arriba" para crear un sistema capaz de replicarse es un gran desafío experimental. Por primera vez, los científicos han logrado superar este obstáculo y sintetizar dicho sistema.

Hannes Mutschler, jefe del grupo de investigación "Sistemas biomiméticos" en el Instituto Max Planck de Bioquímica, y su equipo se dedican a imitar la replicación de genomas y síntesis de proteínas con un enfoque "de abajo hacia arriba". Ambos procesos son fundamentales para la autoconservación y reproducción de los sistemas biológicos. Los investigadores ahora lograron producir un sistema in vitro, en el que ambos procesos podrían tener lugar simultáneamente. "Nuestro sistema es capaz de regenerar una proporción significativa de sus componentes moleculares", explica Mutschler.

Para comenzar este proceso, los investigadores necesitaban un manual de construcción, así como varias "máquinas" moleculares y nutrientes. Traducido a términos biológicos, esto significa que el manual de construcción es ADN, que contiene la información para producir proteínas. Las proteínas a menudo se denominan "máquinas moleculares" porque a menudo actúan como catalizadores, que aceleran las reacciones bioquímicas en los organismos. Los componentes básicos del ADN son los llamados nucleótidos. Las proteínas están hechas de aminoácidos.

Estructura modular del manual de construcción.

Específicamente, los investigadores han optimizado un sistema de expresión in vitro que sintetiza proteínas basadas en un modelo de ADN. Debido a varias mejoras, el sistema de expresión in vitro ahora es capaz de sintetizar proteínas, conocidas como ADN polimerasas, de manera muy eficiente. Estas ADN polimerasas luego replican el ADN usando nucleótidos. Kai Libicher, primer autor del estudio, explica: "A diferencia de los estudios anteriores, nuestro sistema es capaz de leer y copiar genomas de ADN comparativamente largos.

Los científicos reunieron los genomas artificiales de hasta once piezas de ADN en forma de anillo. Esta estructura modular les permite insertar o eliminar ciertos segmentos de ADN fácilmente. El genoma modular más grande reproducido por los investigadores en el estudio consta de más de 116,000 pares de bases, alcanzando la longitud del genoma de células muy simples.

Regeneración de proteínas

Además de codificar las polimerasas que son importantes para la replicación del ADN, el genoma artificial contiene planos para proteínas adicionales, como 30 factores de traducción que se originan de la bacteria Escherischia coli. Los factores de traducción son importantes para la traducción del modelo de ADN en las proteínas respectivas. Por lo tanto, son esenciales para los sistemas autorreplicantes, que imitan los procesos bioquímicos. Para demostrar que el nuevo sistema de expresión in vitro no solo es capaz de reproducir ADN, sino que también puede producir sus propios factores de traducción, los investigadores utilizaron espectrometría de masas. Con este método analítico, determinaron la cantidad de proteínas producidas por el sistema.

Sorprendentemente, algunos de los factores de traducción incluso estuvieron presentes en mayores cantidades después de la reacción que los agregados antes. Según los investigadores, este es un paso importante hacia un sistema de autorreplicación continua que imita los procesos biológicos.

En el futuro, los científicos quieren extender el genoma artificial con segmentos de ADN adicionales. En cooperación con colegas de la red de investigación MaxSynBio, quieren producir un sistema envuelto que pueda seguir siendo viable agregando nutrientes y eliminando productos de desecho. Una célula tan mínima podría usarse, por ejemplo, en biotecnología como una máquina de producción a medida de sustancias naturales o como una plataforma para construir sistemas reales más complejos.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Max-Planck-Gesellschaft. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.

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